(57)【要約】【課題】主スイッチ素子に並列に接続されているダイオードまたは主スイッチ素子の寄生ダイオードに還流電流が流れないようにする。【解決手段】ハイサイド及びローサイドの各主スイッチ素子１９、２９に並列にＭＯＳＦＥＴ１１、２１と可飽和インダクタ１２、２２からなる直列回路を接続し、ＭＯＳＦＥＴに並列にコンデンサ１６、２６を接続し、ＭＯＳＦＥＴ１１、２１のゲートと可飽和インダクタ１２、２２のＭＯＳＦＥＴ１１、２１が接続されている端子と反対側の端子との間に第２のダイオード１３、２３を接続し、第２のダイオード１３、２３に並列に短絡用スイッチ素子１４、２４を接続し、短絡用スイッチ素子１４、２４の制御電極をＭＯＳＦＥＴ１１、２１と可飽和インダクタ１２、２２の接続点に接続した。【選択図】図１
2010124673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、前記直流電源に直列に接続されたハイサイドの主スイッチ素子とローサイドの主スイッチ素子と、前記各主スイッチ素子に並列に接続された第１のダイオードと、前記ハイサイドの主スイッチ素子と前記ローサイドの主スイッチ素子の接続点に接続された負荷と、前記各主スイッチ素子の制御電極に信号を送ることにより各主スイッチ素子を所定のシーケンスでオン・オフさせる制御回路からなり、前記負荷に交流電力を供給する電力変換装置において、前記各主スイッチ素子に並列にＭＯＳＦＥＴと可飽和インダクタからなる直列回路を接続し前記ＭＯＳＦＥＴに並列にコンデンサを接続し、前記ＭＯＳＦＥＴのゲートと前記可飽和インダクタの前記ＭＯＳＦＥＴに接続された端子の反対側の端子との間に第２のダイオードを接続し、前記第２のダイオードに並列に短絡用スイッチ素子を接続し、前記短絡用スイッチ素子の制御電極を前記可飽和インダクタの前記ＭＯＳＦＥＴに接続された端子に接続したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
直流電源と、前記直流電源に直列に接続されたハイサイドの主スイッチ素子とローサイドの主スイッチ素子と、前記各主スイッチ素子に並列に接続された第１のダイオードと、前記ハイサイドの主スイッチ素子と前記ローサイドの主スイッチ素子の接続点に接続された負荷と、前記各主スイッチ素子の制御電極に信号を送ることにより各主スイッチ素子を所定のシーケンスでオン・オフさせる制御回路からなり、前記負荷に交流電力を供給する電力変換装置において、前記主スイッチ素子と前記第１のダイオードからなる並列回路に直列に可飽和インダクタを挿入し、第２のダイオードとコンデンサからなる直列回路の両端を前記可飽和インダクタの両端に接続し、前記第２のダイオードに並列に短絡用スイッチ素子を接続し、前記短絡用スイッチ素子の制御電極を前記可飽和インダクタの前記主スイッチ素子側端子に接続し、前記制御回路と前記各主スイッチ素子の制御電極の間にその入力端子の一方が前記制御回路側にその出力端子が前記主スイッチ素子側になるようにＯＲ回路を挿入し、前記ＯＲ回路の入力端子の別の一方を前記第２のダイオードと前記コンデンサの接続点に接続したことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  この発明は直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に関し、特に還流ダイオードによる損失の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】  図４はハイサイドの主スイッチ素子１９、３９とローサイドの主スイッチ素子２９、４９をＭＯＳＦＥＴで構成した電力変換装置の原理図である。直流電源１から負荷３に交流電力を供給するために、制御回路４はまず、ハイサイドの主スイッチ素子１９と、ローサイドの主スイッチ素子４９をオンして、負荷３に左から右に流れる電流を供給し、次にそれらの主スイッチ素子をオフして、ハイサイドの主スイッチ素子３９とローサイドの主スイッチ素子２９をオンして、負荷３に右から左に流れる電流を供給する。このようにして、負荷３に交流電流が供給される。【０００３】  交流電流または電圧を正弦波にするために、たすきがけになる主スイッチ素子同士を交流の半周期の間を通してオンにするのではなく、その間にオンとオフを所定のデューティサイクルで繰り返す。【０００４】  そのため、半周期の間はたすきがけになる主スイッチ素子の一組がオンからオフになったときに、たすきがけのもう一方の組に還流電流が流れる。図４において、主スイッチ素子がＭＯＳＦＥＴであるためにその寄生ダイオードに還流電流が流れるが、オフになっている主スイッチ素子の一組が再びオンになるときに還流電流を流すダイオードのリカバリタイムの間に短絡電流が流れる。還流を主スイッチ素子の寄生ダイオードまたは並列に接続したダイオードで行う場合には短絡電流による損失は免れない。【０００５】  還流をダイオードで行う方式でも、その損失を減らすためにいくつかの手段が提供されており、その中で特開平１０−３２７５８５号公報は、逆電圧印加回路を付加して、還流ダイオードのリカバリを低い電圧でリカバリさせることによって損失を減らすものである。【０００６】  また、特開２００８−１４８４１０号公報は、スイッチ素子と抵抗からなる直列回路をハイサイドスイッチ素子またはローサイドスイッチ素子に並列に付加し、その直列回路を先にオンさせることにより、リカバリ電流がスイッチ素子と抵抗からなる直列回路に流れるようにすることによってリカバリ時のピーク電流を下げて損失を減らすものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  従来提供されている手段は逆電圧印加回路と呼ばれるやや複雑な回路を付加するか、または、回路はシンプルだがリカバリ時のピーク電流を抑えるというもので、ダイオードを用いて還流電流を流していることに変わりはない。【０００８】  本発明は還流をダイオードによって行わず、よってダイオードのリカバリ特性による損失のない手段を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  請求項１は、ハイサイドの主スイッチ素子とローサイドの主スイッチ素子と各主スイッチ素子に並列に接続された第１のダイオードと各主スイッチ素子をオン・オフする制御回路を備え、ハイサイドの主スイッチ素子とローサイドのスイッチ素子の接続点に接続された負荷に交流電力を供給する電力変換装置において、各スイッチ素子に並列にＭＯＳＦＥＴと可飽和インダクタからなる直列回路を接続しＭＯＳＦＥＴに並列にコンデンサを接続し、ＭＯＳＦＥＴのゲートと可飽和インダクタのＭＯＳＦＥＴが接続されている端子の反対側の端子との間に第２のダイオードを接続し、第２のダイオードに並列に短絡用スイッチ素子を接続し、短絡用スイッチ素子の制御電極を可飽和インダクタのＭＯＳＦＥＴが接続されている側の端子に接続した。【００１０】  請求項２は、ハイサイドの主スイッチ素子とローサイドの主スイッチ素子と各主スイッチ素子に並列に接続された第１のダイオードと各主スイッチ素子をオン・オフする制御回路を備え、ハイサイドの主スイッチ素子とローサイドの主スイッチ素子の接続点に接続された負荷に交流電力を供給する電力変換装置において、各主スイッチ素子と第１のダイオードからなる並列回路に直列に可飽和インダクタを挿入し、第２のダイオードとコンデンサからなる直列回路の両端を可飽和インダクタの両端に接続し、第２のダイオードに並列に短絡用スイッチ素子を接続し、短絡用スイッチ素子の制御電極を可飽和インダクタの主スイッチ素子側端子に接続し、制御回路と主スイッチ素子の間にＯＲ回路を挿入してその入力端子の一方を制御回路にその出力端子を主スイッチ素子の制御電極に入力端子の別の一方を第２のダイオードとコンデンサの接続点に接続した。
【発明の効果】
【００１１】  請求項１において、ハイサイドの主スイッチ素子がオフ状態になっている場合はハイサイドの主スイッチ素子には直流電源の電圧が加わっているので、ハイサイドの主スイッチ素子に並列に接続されているＭＯＳＦＥＴと可飽和インダクタの直列回路両端にも同じ電圧が加わり、ＭＯＳＦＥＴに並列に接続されているコンデンサ両端にも同じ電圧が加わる。【００１２】  この状態のハイサイドの主スイッチ素子に還流電流が流れるときは、まず、コンデンサの放電から始まるので、電流は可飽和インダクタとコンデンサを流れようとする。そのため可飽和インダクタに電圧が加わり、その電圧は第２のダイオードを介してＭＯＳＦＥＴのゲートに加わり、ＭＯＳＦＥＴをオン状態にする。その結果、還流はＭＯＳＦＥＴのチャンネルを流れる。すなわち還流はＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードには流れない。【００１３】  ハイサイドの主スイッチ素子に並列に接続されている第１のダイオードの順方向ドロップ電圧よりも、ＭＯＳＦＥＴのオン状態の電圧ドロップが小さければ第１のダイオードに電流は流れない。【００１４】  還流は上述のハイサイドの主スイッチ素子に直列に接続されているローサイドの主スイッチ素子のオフ期間に生じるが、やがてローサイドの主スイッチ素子がオンになる。還流電流が流れているＭＯＳＦＥＴはオン状態であるから、直流電源の電圧はＭＯＳＦＥＴに直列に入っている可飽和インダクタに加わる。可飽和インダクタは還流電流で飽和しているが、逆向きの電流に対しては一瞬高いインピーダンスを示すので、可飽和インダクタに加わった電圧が短絡用スイッチ素子をターンオンさせてＭＯＳＦＥＴのゲート電荷を引き抜きＭＯＳＦＥＴをオフにする。【００１５】  上述のように可飽和インダクタはローサイドの主スイッチ素子とＭＯＳＦＥＴを通る短絡電流を防いでいる。【００１６】  ローサイドの主スイッチ素子に還流電流が流れている場合も、ハイサイドとローサイドの位置が入れ替わるだけで上述の説明が成り立ち、第１のダイオードにもＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードにも還流電流は流れず、また短絡電流が流れることもない。【００１７】  ダイオードのリカバリ損失が発生しないので電力変換効率が改善される。【００１８】  請求項２において、ハイサイドの主スイッチ素子がオフ状態でそこに還流電流が流れるときは、電流がハイサイドの主スイッチ素子に並列に接続されている第１のダイオードとそれに直列に接続されている可飽和インダクタを通り流れようとする。可飽和インダクタ両端に生じる電圧が第２のダイオードとコンデンサの直流回路を流れてコンデンサに直流電圧を充電する。この電圧がＯＲ回路の一方の端子に加わるので、ハイサイドの主スイッチ素子はターンオンして還流電流はハイサイドの主スイッチ素子を流れ、第１のダイオードには流れない。【００１９】  やがてハイサイドの主スイッチ素子に直列に接続されているローサイドの主スイッチ素子がオンになると、還流電流が流れているハイサイドの主スイッチ素子はオン状態であるから、直流電源の電圧は可飽和インダクタに加わる。可飽和インダクタは還流電流で飽和しているが逆向きの電流に対しては一瞬高いインピーダンスを示すので、可飽和インダクタに加わった電圧で短絡用スイッチ素子がターンオンしてＯＲ回路の一方の端子の電圧をゼロにする。ＯＲ回路のもう一方の入力端子はもともとゼロなのでＯＲ回路の出力もゼロになり、ハイサイドの主スイッチ素子はターンオフする。【００２０】  ローサイドに還流電流が流れている場合も、ハイサイドとローサイドの位置が入れ替わるだけで上述の説明が成り立ち、ダイオードに還流電流は流れず、また短絡電流も流れない。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例】
【００２１】  図１は請求項１記載の発明の実施例に係るインバータの回路図である。図においてハイサイドの主スイッチ素子１９とローサイドの主スイッチ素子２９は、負荷３に交流電力を供給するために、制御回路４によって作り出される信号によってオン・オフを繰り返している。それら２つの主スイッチ素子が同時にオン状態になることはない。図において、主スイッチ素子として寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴを用いているので第１のダイオードは省略されている。【００２２】  負荷３に左から右に向かった電流が流れている状態の回路の各部の波形を図２に示す。【００２３】  図２において、ローサイドの主スイッチ素子２９はオン・オフを繰り返しながら、負荷３に流れる電流波形を制御している。主スイッチ素子２９が時刻ｔ１でターンオフすると、主スイッチ素子２９のドレイン電圧が上昇するが、コンデンサ１６には直流電源１の電圧が充電されているので、ドレイン電圧の上昇分が可飽和インダクタ１２に加わる。可飽和インダクタ１２に加わる電圧は下側が正になるので第２のダイオード１３を介してＭＯＳＦＥＴ１１のゲートを充電して、ＭＯＳＦＥＴ１１をターンオンさせる。そして、負荷３の電流はターンオンしたＭＯＳＦＥＴ１１を流れ、すなわち寄生ダイオードを流れることなく直流電源１に還流する。【００２４】  時刻ｔ２になって再び主スイッチ素子２９がターンオンすると、ＭＯＳＦＥＴ１１がオン状態であるため直流電源１と直流電源２の電圧が可飽和インダクタ１２に上側が正になって印加する。可飽和インダクタ１２の電圧は短絡用スイッチ素子１４をターンオンさせてＭＯＳＦＥＴ１１のゲート電荷を放電させ、ＭＯＳＦＥＴ１１をターンオフさせる。可飽和インダクタ１２が飽和するまでの時間と、ＭＯＳＦＥＴ１１がターンオフするまでの時間を適当に選ぶことによりＭＯＳＦＥＴ１１がオン状態のままローサイドの主スイッチ素子２９がターンオンしても短絡電流が流れることはない。また、寄生ダイオードに電流が流れないのでリカバリタイムの間に短絡電流が流れることもない。【００２５】  図１は直流電源が２つで主スイッチ素子がハイサイドとローサイドに各々１つずつあるハーフブリッジ型のインバータであるが２つずつあるフルブリッジ型のインバータ、または３つずつある３相インバータに応用することも可能である。【００２６】  図３は請求項２記載の発明の実施例に係るインバータの回路図である。４つの主スイッチ素子は制御回路４が作り出す信号によってオン・オフを繰り返す。ハイサイドの主スイッチ素子１９とローサイドの主スイッチ素子４９がオン状態のときに、負荷３には上から下に電流が流れ、ハイサイドの主スイッチ素子３９とローサイドの主スイッチ素子２９がオン状態のときに負荷３には下から上に電流が流れる。【００２７】  図３において、主スイッチ素子として、寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴを用いているので第１のダイオードは省略されている。【００２８】  ハイサイドの主スイッチ素子１９とローサイドの主スイッチ素子４９がターンオフすると、還流電流は負荷３を上から下に向かって流れ続けようとするので、主スイッチ素子２９と３９をいずれも下から上に向かって流れる。そのとき、可飽��インダクタ２２と３２には下側が正の電圧が生じる。【００２９】  可飽和インダクタ２２と３２に生じる電圧は各々ダイオード２３と３３を介してコンデンサ２７と３７を充電する。コンデンサ２７と３７の電圧がＯＲ回路２８と３８を介して、主スイッチ素子２９と３９のゲートを充電するので、主スイッチ素子２９と３９は制御回路４からの信号がゼロであるがターンオンする。還流電流はＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードには流れない。【００３０】  主スイッチ素子２９と３９がオン状態のときに、主スイッチ素子１９と４９が再びターンオンすると、直流電源の電圧は可飽和インダクタ２２と３２に印加する。その電圧は各々短絡用スイッチ素子２４と３４をターンオンさせるのでＯＲ回路２８、３８の入力端子はゼロになり、また、制御回路４からもう一方の入力端子に加わる信号はもともとゼロなのでＯＲ回路２８、３８の出力もゼロになり、主スイッチ素子２９と３９はターンオフする。可飽和インダクタが飽和するまでの時間と、主スイッチ素子がターンオフするまでの時間を適当に選ぶことにより、短絡電流が流れないようにすることができる。また、寄生ダイオードに電流は流れないのでリカバリタイムの間に短絡電流が流れるということもない。【００３１】  図３は、直流電源が１つで主スイッチ素子が４つのフルブリッジ型であるが、主スイッチ素子を６つにした３相インバータに応用することもできる。【００３２】  また、直流電源が２つで主スイッチ素子が２つのハーフブリッジ型に応用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】  本発明によれば、直流から交流を作る電力変換装置において、還流ダイオードによる短絡電流をわずかな部品の追加でなくすことが可能になるので、経済効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】  請求項１記載の発明の実施例に係るハーフブリッジ型のインバータである。
【図２】  図１の各部の波形図である。
【図３】  請求項２記載の発明の実施例に係るフルブリッジ型のインバータである。
【図４】  従来の方式の１例を示すインバータである。
【符号の説明】
【００３５】１、２  直流電源
３  負荷
４  制御回路
５、６  リアクトル
７  コンデンサ
１１、２１  ＭＯＳＦＥＴ
１２、２２、３２、４２  可飽和インダクタ
１３、２３、３３、４３  第２のダイオード
１４、２４、３４、４４  短絡用スイッチ素子
１５、２５、３５、４５  抵抗
１６、２６  コンデンサ
１７、２７、３７、４７  コンデンサ
１８、２８、３８、４８  ＯＲ回路
１９、２９、３９、４９  主スイッチ素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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